在FPGA板卡的電源設計中,如何降低輸入開關噪音

當使用大功率FPGA時FPGA從電源中需要的電流量增加；流過電源輸入線的均方根電流增加。

當DC/DC轉換器輸入端的RMS電流增大時,輸入端的開關雜訊增大。到目前為止你可能沒有留意過輸入的RMS電流, 但是,今後在FPGA中使用的電流值增加的情況下,需要進行確認和研究。在這裡,我想使用圖1的LTM4650A-1的DC/DC轉換器來探討一下這個問題。

LTM4650A-1是一款雙通道 25A的DC-DC轉換器。兩個通道可以合併輸出50A。50(A)也實現了約95%的高效率(圖2)

通常,單輸出的輸入RMS電流如圖5所示。是雙輸入電流IIN1和IIN2相加的大RMS電流。大的RMS電流表現為開關噪聲。RMS電流引起的噪聲可能導致系統故障。

根據下式計算RMS電流。條件為輸入12V、輸出1.0V、最大電流50A時,效率從圖1到約87%。計算後,RMS電流值約為16A。

η%：電源模塊的推定效率
D：降壓轉換器的占空比
D = VOUT / VIN

雙相位是指將LTM4650-1內置的開關穩壓器1和2的開關時序改變180°相位(相位)的動作。

如圖4所示,由於穩壓器1的輸入電流IIN1和穩壓器2的輸入電流IIN2的相位錯開180°, 頻率變為2倍,但輸入電流的最大值為單相工作時的一半。

這降低了輸入線路上的開關噪聲,並提供了比單相更好的EMI控制,並降低了噪聲對系統故障的影響。

從圖5的標準化輸入RMS電流圖估計錯相的RMS電流。如果Duty约为0.1,则RMS/Maximum Current比率为0.2。

結果,錯相時的RMS電流約為10A,比單相時的16A大幅減少。這大大降低了輸線路上的開關噪聲。

RMS電流的減小除了減少輸入線的開關噪聲外,還有一個好處。減少陶瓷電容器。一般來說, 貼片陶瓷電容器的自發熱溫升必須控制在20℃以下。因此,RMS電流值變大的話自身發熱就會變大,所以有必要增加電容器的數量散熱。

假設使用了自身發熱為20℃, RMS電流值為4.2A的陶瓷電容器。

在這種情況下, 單相和雙相操作所需的陶瓷電容器數量如下

單相：4個（16A ÷ 4.2A ＝ 3.81）

雙相：3個 (10A ÷ 4.2A ＝ 2.38）

由於在FPGA板卡上安裝了非常多的陶瓷電容器,因此即使減少1個,在削減安裝成本和管理費用成本方面,也是製造上的優勢。